[论文解读] Superconductivity in pressurized trilayer La$_4$Ni$_3$O$_{10-δ}$ single crystals

Yinghao Zhu, Di Peng+28 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2023

Rare-earth and actinide compounds参考文献 48被引用 8

一句话总结

研究表明，对 trilayer La4Ni3O10-δ 加压可在 69.0 GPa 下实现体相超导，Tc 约 30 K，同时伴随奇异金属行为和层间耦合依赖性。

ABSTRACT

The pursuit of discovering new high-temperature superconductors that diverge from the copper-based paradigm1-3 carries profound implications for elucidating mechanisms behind superconductivity and may also enable new applications4-8. Here, our investigation reveals that application of pressure effectively suppresses the spin and charge order in trilayer nickelate La4Ni3O10-δ single crystals, leading to the emergence of superconductivity with a maximum critical temperature (Tc) of around 30 K at 69.0 GPa. The DC susceptibility measurements confirm a substantial diamagnetic response below Tc, indicating the presence of bulk superconductivity with a volume fraction exceeding 80%. In the normal state, we observe a "strange metal" behavior, characterized by a linear temperature-dependent resistance extending up to 300 K. Furthermore, the layer-dependent superconductivity observed hints at a unique interlayer coupling mechanism specific to nickelates, setting them apart from cuprates in this regard. Our findings provide crucial insights into the fundamental mechanisms underpinning superconductivity, while also introducing a new material platform to explore the intricate interplay between the spin/charge order, flat band structures, interlayer coupling, strange metal behavior and high-temperature superconductivity.

研究动机与目标

• 推动在镍酸盐体系中超导性研究，超越铜基机制的局限。
• 证明压力作为工具可抑制自旋/电荷序，揭示 La4Ni3O10-δ 的超导性。
• 在高压下表征超导态及其体相性质。

提出的方法

• 合成 trilayer La4Ni3O10-δ 单晶。
• 施加高压至 69.0 GPa 以诱导超导性。
• 测量直流磁化率以评估抗磁响应和体相超导性（>80% 体积分数）。
• 探测正常态输运性质，识别线性-或奇异金属行为，温度范围至 300 K。
• 分析层间耦合对超导性的影响以推断耦合机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 压力是否能抑制 La4Ni3O10-δ 的自旋和电荷序以揭示超导性？
• RQ2 在压力下可达到的最高 Tc 是多少，发生在何种压力？
• RQ3 超导态是否具有体相特征，层间耦合如何体现？
• RQ4 伴随超导相的正常态输运行为为何？
• RQ5 层间依赖性如何揭示镍酸盐中超导机制？

主要发现

• 在 69.0 GPa 下获得最大 Tc 约 30 K 的超导性。
• 直流磁化率显示明显的抗磁响应，指示体相超导性，体积分数 >80%。
• 正常态输运表现出奇异金属行为，电阻随温度线性变化，直到 300 K。
• 层间依赖性超导性提示镍酸盐中存在独特的层间耦合机制，与铜基高温超导体的耦合机制不同。